شرح قاعدة باولي لتوزيع الإلكترونات

شرح قاعدة باولي لتوزيعِ الإلكترونات

تعد قاعدة هوند (Hund's rule)، وقاعدة باولي (Pauli Principle)، ومبدأ أوفباو (Aufbau principle)، القواعد الثلاث التي تحكم كيفية تناسب الإلكترونات في التركيب الذري،^[١] وينص مبدأ باولي على أنهُ "لا يمكن لأي إلكترونين في نفس الذرة أن يكون لهما نفس الأرقام الكميّة الأربعة (n, l, ml, ms)"،^[٢] حيث يمكن تعريف كل إلكترون في الذرة من خلال الأرقام الكميّة الأربعة الآتية:^[٣]

• عدد الكم الرئيسي (n): يصف رقم المدار الذي يوجد فيه الإلكترون وطاقته.
• عدد الكم الفرعي (l): يصف شكل المدار.
• عدد الكم المغناطيسي (ml): يحدد عدد المدارات واتجاهها.
• عدد الكم المغزلي (ms): يحدد اتجاه دوران الإلكترون.

حسب قاعدة باولي لتوزيعِ الإلكترونات فلا يمكن لإلكترونَين أن يمتلكا نفس قيم الأعداد الكمية الأربعة، فمثلاً: في الغلاف الفرعي 1s، عدد الكم الرئيس n=1، وعدد الكم الفرعي l=0، عدد الكم المغناطيسي ml=0، والغلاف الفرعي يمكن أن يحتوي على إلكترونين فلو كانت قيمة الكم المغزلي ms للإلكترون الأول +1\2 (Spin-Up) فإن قيمة الكم المغزلي ms للإلكترون الآخر -1\2 (Spin-Down)؛ أي أن الإلكترونانْ يدورانْ باتجاهين مختلفين أحدهما للأعلى +1\2 والآخر للأسفل -1\2، ولذلك يمكن أن يشترك إلكترونان فقط بثلاثة أعداد كمية، ويختلفان بعدد الكم المغزلي ms.^[٤]

الجسيمات التي تخضع لقاعدة باولي لتوزيع الإلكترونات

تقسم الجسيمات إلى نوعين اثنين، وهما:^[٥]

• الفرميون (بالإنجليزية: Fermion): وهو أي جسيم يدور، ولهُ عدد فردي نصف صحيح (1/2, 3/2, وهكذا)، مثل البروتون والنيوترون.
• البوزون (بالإنجليزية: Poson): وهو أي جسيم لهُ عدد مغزلي صحيح (0,1,2, وهكذا).

تخضع الفرميونات إلى قاعدة باولي لتوزيع الإلكترونات، ولها قيمة مميزة للدوران؛ حيث يكون دورانها دائماً عبارة عن مضاعفات عدد صحيح فردي النصف، أما البوزونات فلا تخضع لقاعدة باولي.^[٥]

اكتشاف قاعدة باولي

قام العالِم الفيزيائي النمساوي ولفجانج باولي بصياغة المبدأ عام 1925م؛ حيث وصف بشكلٍ أساسي سلوك الإلكترون، وفي عام 1940م توسع المبدأ ليشمل جميع الفرميونات، وفي عام 1945م حصل باولي على جائزة نوبل لاكتشافه مبدأ استبعاد باولي ومساهمته الشاملة في مجال ميكانيكا الكم، وتم ترشيحهُ للجائزة من قبل ألبرت آينشتاين.^[٣]

في العشرينيات تم إثبات أنه عندما يتم فحص أطياف خط الهيدروجين بدقة عالية جداً، فإن بعض الخطوط ليست قمماً مفردة، بل أزواج من الخطوط المتقاربة، وهذا يعني أن هناك اختلافات صغيرة في طاقات الإلكترونات حتى عندما تكون في نفس المدار، ومن هنا جاء عدد الكم المغزلي، حيث قادت هذه الملاحظة صموئيل جودسميت، وجورج أولينبيك إلى اقتراح أن للإلكترونات رقمًا كميًا رابعًا، وأطلقوا على هذا الرقم اسم عدد الكم المغزلي.^[٢]

أهمية قاعدة باولي

لقاعدة باولي أهمية كبيرة في مجالات متعددة، ومنها:^[٣]

• تساعد قاعدة باولي على تفسير مجموعة متنوعة من الظواهر الفيزيائية.
• تساعد في وصف العناصر الكيميائية المختلفة وكيفية مشاركتها في تكوين الروابط الكيميائية.
• تعد قاعدة باولي قاعدة أساسية في ميكانيكا الكم، والتي تتم دراستها بشكل أساسي في الفيزياء.
• تستخدم قاعدة بوالي في تطبيقات الفيزياء الفلكية.